元朝丞相孛羅親自開堂審問文天祥。文天祥被押到樞密院大堂，昂然而立，隻是對孛羅行了一個拱手禮。孛羅喝令左右強製文天祥下跪。文天祥竭力掙紮，坐在地上，始終不肯屈服。孛羅問文天祥：”你現在還有甚麼話可說？”文天祥回答：”天下事有興有衰。國亡受戮，曆代皆有。我為宋盡忠，隻願早死！”孛羅大發雷霆，說：”你要死？我偏不讓你死。我要關押你！”文天祥毫不畏懼，說：”我願為正義而死，關押我也不怕！”
從此，文天祥在監獄中度過了三年。在獄中，他曾收到女兒柳娘的來信，得知妻子和兩個女兒都在宮中為奴，過著囚徒般的生活。文天祥深知女兒的來信是元廷的暗示：隻要投降，家人即可團聚。然而，文天祥盡管心如刀割，卻不願因妻子和女兒而喪失氣節。他在寫給自己妹妹的信中說：”收柳女信，痛割腸胃。人誰無妻兒骨肉之情？但今日事到這裏，於義當死，乃是命也。奈何？奈何！……可令柳女、環女做好人，爹爹管不得。淚下哽咽哽咽。”
獄中的生活很苦，可是文天祥強忍痛苦，寫出了不少詩篇。《指南後錄》第三卷、《正氣歌》等氣壯山河的不朽名作都是在獄中寫出的。
元世祖至元十九年（1282）三月，權臣阿合馬被刺，元世祖下令籍沒阿合馬的家財、追查阿合馬的罪惡，並任命和禮霍孫為右丞相。和禮霍孫提出以儒家思想治國，頗得元世祖讚同。八月，元世祖問議事大臣：”南方、北方宰相，誰是賢能？”群臣回答：”北人無如耶律楚材，南人無如文天祥。”於是，元世祖下了一道命令，打算授予文天祥高官顯位。文天祥的一些降元舊友立即向文天祥通報了此事，並勸說文天祥投降，但遭到文天祥的拒絕。十二月八日，元世祖召見文天祥，親自勸降。文天祥對元世祖仍然是長揖不跪。元世祖也沒有強迫他下跪，隻是說：”你在這裏的日子久了，如能改心易慮，用效忠宋朝的忠心對朕，那朕可以在中書省給你一個位置。”文天祥回答：”我是大宋的宰相。國家滅亡了，我隻求速死。不當久生。”元世祖又問：”那你願意怎麼樣？”文天祥回答：”但願一死足矣！”元世祖十分氣惱，於是下令立即處死文天祥。
次日，文天祥被押解到柴巿口刑場。監斬官問：”丞相還有甚麼話要說？回奏還能免死。”文天祥喝道：”死就死，還有甚麼可說的？”他問監斬官：”哪邊是南方？”有人給他指了方向，文天祥向南方跪拜，說：”我的事情完結了，心中無愧了！”於是引頸就刑，從容就義。死後在他的帶中發現一首詩：”孔曰成仁，孟曰取義，唯其義盡，所以仁至。讀聖賢書，所學何事？而今而後，庶幾無愧。”